基础像差理论与zemax仿真分析
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发布时间：2024-12-10 07:16
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时间：2024-12-26 06:15
理想光学成像近轴条件下的近似实现，实际光学系统在特定相对孔径和视场需求下，实际像与理想像存在偏差，即像差。像差主要分为色差与单色像差，其中色差包括轴向色差和垂轴色差，单色像差则有球差、彗差、像散、场曲与畸变。
球差产生于球面透镜，轴上物点发出的光线通过不同孔径区域汇聚在像面上的圆形弥散斑。平行光束入射时，像点随高度变化。ZEMAX的RAY FAN图能定量分析球差在不同孔径下的大小，该图描述不同光瞳位置处光线在像面上高度和主光线高度的差值。球差数据通过ZEMAX的seidel像差统计或评价函数操作数 SPHA 进行定量分析，优化方法如使用非球面校正，通过调整面2的半径和面3的conic参数实现球差消除，但非球面加工成本较高。
彗差是非旋转对称的像差，外视场聚焦光斑变大，图像边缘模糊。彗差分析可通过彗差的光扇图与波前图理解，光扇图显示不同孔径区域光线在像面上高度不同，波前图呈现倾斜的波面。彗差优化在ZEMAX中进行。
像散表现为轴外物点发出的锥型光束通过光学系统聚焦后在子午方向与弧矢方向的不一致性，形成椭圆特征。分析像散可观察光斑的非旋转对称性，并通过分析光线差图中光瞳PY和PX像差大小不相等判断。像散优化同样在ZEMAX中执行。
场曲指所有像点组成的像面不在平面上，形成曲面，影响像面清晰度。场曲分析与优化在ZEMAX中进行，方法包括查看系统场曲情况与模拟实际物面成像后的像面模糊。
畸变描述了像面上像点与理想像面的轴向距离变化，计算公式为 100*(Ychief - Yref)/ Yref，其中Ychief为实际主光线高度，Yref为参考光线通过视场比例缩放后高度。畸变分析与优化也通过ZEMAX进行。
色差产生于介质对不同波长光线的折射率差异，表现为红光与蓝光在透镜中的像点位置差异。色差分析与校正方法在ZEMAX中实现，参考资源包括《工程光学》与《zemax光学成像设计实例》。
